構造ダイバーCTの可視化

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英題:Visualizing Structural DiverCT

ほとんどの人にとって、コンピューター断層撮影(CT)スキャンは、診断用X線テストの一般的な医学用語です。彼らは、頭、腹部、または体の別の部分の調査のために医師の1人から注文されたCTスキャンさえあったかもしれません。ただし、CTスキャンの用途は医療分野をはるかに超えています。これらのタイプのX線スキャンは、形状、サイズ、テクスチャなど、多くの固体材料内の構造の内部特徴を視覚化するのに役立ちます。
1つのX線写真を撮ってオブジェクトを確認することがよくあり、結果として得られる画像は材料の密度の平均であり、3Dオブジェクトは2Dに平坦化されます。ただし、CTスキャンには一連のX線写真が対象物を中心に回転して撮影されるため、3D画像の生成に使用できます。従来のCTは通常、広い領域をスキャンするため、X線検出器のピクセル数に制限があるため、解像度は約1ミリメートルに制限されます。ただし、小さな領域をスキャンすることで、マイクロCTスキャナーははるかに高い解像度(約1000倍(1ミクロン))を提供できます。この詳細レベルは、小さくて複雑な構造を画像化するために必要になることが多く、研究者はさまざまな分野で重要な発見をすることができます。
恐竜の尾の化石部分が最近カナダのアルバータで発見されたとき、テルアビブ大学の科学者は、ランゲルハンス細胞組織球症(LCH)と呼ばれるまれな人間の癌に似た椎骨の虫歯を指摘しました。腫瘍と周囲の血管をスキャンするマイクロCTにより、彼らは存在する病変がLCHの結果であることを確認することができました。 LCHは明確に形作られた骨欠損を引き起こし、脊椎が関与する場合、通常、胸部椎体(椎間板の間の楕円形の骨)に影響を与え、前部のくさびや圧迫骨折を引き起こす可能性があります。研究者たちはこのパターンを観察し、LCHを原因として特定し、LCHが約6,600万年存在していると結論付けました。この病気は恐竜や化石でこれまでに確認されたことはありませんでした。これらの研究のおかげで、私たちは特定の病気の原因と、その発達と生存を可能にした進化の状態を特定するのに一歩近づきました。
マイクロCTスキャンは疾患の特定に役立つだけでなく、さまざまな動物の歴史的なタイムラインに関する重要な情報を明らかにすることもできます。ミズーリ大学の研究者は、最近、管状の化石を分析し、世界で最も古くから知られている消化管を発見しました。この5億5000万年前のネバダ砂漠の化石は、進化のパズルの重要な一部である可能性があります。マイクロCTイメージングにより、その小さな内部構造の可視化が可能となり、ワームとの解剖学的類似性が明らかになりました。この生物は、曇った科に属し、以前はサンゴと解剖学的に類似していると考えられていました。イメージング、特にマイクロCTイメージングの技術的進歩により、科学者は化石の3D画像を表示し、サンプルを破壊することなく内部構造を特定できます。
マイクロCTの重要かつ多様なアプリケーションを考えると、研究者はサンプルを画像化するための改良された装置を開発するように強く求められてきました。マイクロCT技術の境界を押し広げている企業は、ウォータールー大学からのスピンオフであるKA Imaging社です。プロトは最近、KA Imaging社と提携して、最新のマイクロCTスキャナーであるinCiTeを開発しました。このinCiTeでは、回転するサンプルにX線が当たっている間に画像が連続的に撮影されます。このシステムは、KA Imaging社独自の高空間分解能アモルファスセレン(a-Se)検出器を搭載した最初の商用CTスキャナーです。コンパクトなベンチトップ設計により、広いスペースを必要とせずにマイクロCTスキャンを実行できます。さらに、a-Se検出器のピクセルサイズは8ミクロンで、通常のSiベースのフラットパネルよりもはるかに小さくなっています。この検出器では、X線光子を電荷に直接変換できます。この直接変換と高検出量子効率(DQE)の組み合わせにより、低フラックスと高エネルギーでの効率的なイメージングが可能になり、inCiTeは非常に用途の広いマシンになります。
検出器のピクセルサイズが小さいため、このシステムには位相コントラストイメージングの利点が追加され、従来のX線イメージングでは可視化できない材料の調査が可能になります。たとえば、柔らかい生体組織やポリマーは、一般的に吸収が不十分です。ただし、X線がこれらの物質を通過すると、屈折します。物体を離れると、屈折した(位相シフトした)X線が互いに干渉し始め、十分な伝播距離が与えられると、X線検出器で干渉の影響を観測できます。効果は、材料内の境界やエッジで見られるような、屈折率の急激な変化があるときに最も顕著になります。位相シフト効果は通常、吸収による効果よりも100倍から1000倍強いため、X線吸収が弱いサンプルの視認性が向上します。ただし、干渉効果は非常に短い距離で発生するため、このエッジの強調を観察するには高解像度の検出器が必要です。
たとえば、inCiTeシステムを使用すると、下の図(左)に示すように、マウスの膝などの組織を高コントラストで視覚化でき、軟骨を詳細に検査できます。下の写真(中央)の複合材料は、ケブラーの一部です。位相コントラストイメージングの助けを借りて、10〜20μmのサイズの個々のファイバーを材料内で見ることができます。下の3番目のCT画像はLEDです。システムの高解像度検出器により、位相コントラスト機能により基板層を識別でき、ワイヤボンド形状をはっきりと見ることができます。
inCiTeシステムは、ポリマー複合材料や生体材料などの材料の微細構造の分析に最適ですが、非破壊検査(NDT)、電子工学、積層造形、地質学、農業など、さまざまな分野やアプリケーションで使用できます。

KA Imaging社:https://www.kaimaging.com/

出典: https://www.protoxrd.com/assets/2theta_issue3_2020_magazine.pdf P.10-P.13